章波形产生与整形电路波形整形电路

1、<% Page Language="VB" ContentType="text/html" ResponseEncoding="gb2312" %> 您的位置:首页>>第六章 第三节 6.3  波形整形电路波形整形电路主要用来对那些变化缓慢或不规则的信号进行整形，使其变成边沿陡峭的信号，也可用于剔除输入信号中的干扰信号，还可实现将一种波形变换为另一种波形的功能。波形整形电路的形式有多种，这里主要讨论由电压比较器或555集成定时器构成的施密特触发器和单稳态触发器电路。6.3.1  电

2、压比较器电压比较器是将一个电压信号与另一参考电压信号相比较，以鉴别其大小的电路。其鉴别结果用比较器输出的数字逻辑电平（高电平或低电平）来表示，因此电压比较器可看作是将模拟信号转换为数字信号的一种“接口”或“界面”电路。1.运算放大器组成的基本比较器电路从集成运放输入、输出电压间关系u0=A0d(u+u-)可知，由于运放具有极高的电压增益，因此工作在开环状态的运放具有电压比较器的功能。图6.3.1(a)给出了一个最简单的过零电压比较器电路。其参考电压为零，在将运放视作理想器件的情况下，其电压传输特性如图6.3.1(b)所示，uI>0，运放输出为正向饱和电压U0PP；uI<0，输出为负

3、向饱和电压-U0PP。运放输出的高低电平反映了输入信号比零大或小的结果，也说明了比较器的基本工作原理。由集成运放组成常用电压比较器电路如图6.3.2所示的两种基本形式。图6.3.1  最简单的过零电压比较器电路图6.3.2(a)是串联型电压比较器，其中参考电压为UREF，集成运放仍工作在开环状态，R和DZ构成限幅电路，使反映比较结果的输出电压u0被限幅在±UZ电压上。当uI<UREF时，比较器输出电压为+UZ，反之输出电压为-UZ。理想情况下的电压传输特性如图6.3.2(b)中的虚线所示，考虑到实际运放的电压增益AOd是有限值，故实际电压传输特图6.3.2 

4、 两种常用类型的电压比较器电路及其传输特性性如图中实线所示。图6.3.2(c)是并联型电压比较器。当电路中 < 时，稳压管支路截止，运放工作在开环比较状态。由于运放同相输入端接地，因此当反相输入端电压u-经过零点时将引起输出电压的跳变，由此可求得引起u0产生跳变的门限电压。由得                            

5、                                                   

6、;   （6.3.1）输出u0完成跳变后，运放将由开环比较状态过渡到闭环限幅状态，稳压管导通并引入电压负反馈，在运放反相输入端形成“虚地”，使运放输出电压限幅在+UZ或-UZ。其电压传输特性如图6.3.2(d)所示。2.集成电压比较器普通运放作为比较器运用时，仅适合于对输出翻转速度要求不太高的场合，而对如A/D变换，数字通讯的接收器等对速度有较高要求的应用场合，则采用专用的集成比较器，一般集成比较器的响应速度较高，以常用的LM311集成比较器为例，其响应时间为200ns，而通用型外补偿运放LM301A在不加补偿电容时的响应时间为6ms，741型等内补偿型运放则更慢

7、。下面，我们即以常用的LM311为例来讨论集成电压比较器的原理及应用。图6.3.3是LM311的简化电路原理图。由图可见，整个输入级由T1T6管组成，图6.3.3  LM311简化原理图其中，T1、T2是射极跟随器，T5、T6组成的电流源为T1、T2提供偏置电流，T3、T4组成双端输出的差动放大器与中间级连接。中间级由T7、T8组成，T9仅在引脚控制下才能导通，常态下T9截止，其影响不必考虑，由此T7、T8也构成差动放大形式。输出级由T10、T11、T12组成，其中T10的基、射极分别接到中间级差放的两个输出端，将双端输出转换为单端输出，驱动T11管工作。T11采用集电极开路的输出形

8、式，这种结构允许几个LM311的输出端直接连接在一起。T12常态下截止，当输出级过流时，T12导通对T11的基极产生分流，从而实现过流保护作用。原理图中引脚为同相输入端，是反相输入端，引脚和单独引出，使LM311的应用更为灵活，同时也使T11的电源电压可独立设置，以便于与后续电路的电平配合。引脚、为平衡调零端，必要时可外接平衡电阻，一般可悬空不用。当、两端直接与正电源端短接时，将使输入级电流增大，可进一步提高比较器的工作速度。此外，引脚与T9配合可起到“使能控制端”的作用。311比较器的应用比较灵活。其电源电压可用±15V，也可在5V单电源下工作。图6.3.4(a)是311比较器用单

9、电源（+5V）供电的应用例。可见311可与数字电路共用电源，其输出电平可直接驱动数字电路工作。值得一提的是在这种单电源偏置下，为保证输入级正常工作，所设定的比较器参考电压UREF应大于零。图6.3.4(b)是311的另一种输出方式，即脚接+VCC，脚作为输出端，此时T11相当于具有限流作用的图6.3.4  LM311的电路接法射极输出器，可得到较大的输出电流，即使外接功率管也能直接驱动。不过，由于输出取自脚，因此同相，反相输入关系应与脚输出时相反。专用集成电压比较器的型号和种类比较多，LM311是属中速比较器的一种。相对讲，集成比较器的价格比较便宜，制造时是从用作比较器的目的而设计的

10、专门电路，因此其性能均能满足比较器电路的基本要求。 联系我们 发表意见 关闭窗口 (C) Copyright东南大学电子科学与工程学院, Ltd. All Rights Reserved.s<% Page Language="VB" ContentType="text/html" ResponseEncoding="gb2312" %> 您的位置:首页>>第六章 第三节 6.3.2  555集成定时器555定时器是一种多功能的线性集成电路，它能产生准确的和非常稳定的时延或振荡信号。

11、在它的外部配上适当的阻容元件，就可方便地构成施密特触发器和单稳态触发器等整形电路以及矩形波振荡器等脉冲产生电路。1.电路组成常用的555定时器为双列直插塑料封装形式，如图6.3.5(a)所示，其电路框图如6.3.5(b)所示。它有两个相同的电压比较器A1和A2，且均有一输入端接到三个5k电图6.3.5  555定时器阻R组成的分压器上，若在脚加电源VCC并让脚悬空，此时A1的参考电压为 VCC，A2的参考电压为 VCC，两比较器的输出分别接基本RS触发器的输入端；触发器输出经逻辑门反相，以隔离负载对定时器的影响，同时提高带负载的能力。为了满足外电路充、放电的需要，放电晶体管T为集电极

12、开路输出。2.基本功能555定时器的功能主要由两个比较器A1和A2决定。在直接复位端 （脚）接高电平的条件下，A1反相输入端TH（称高触发端），A2同相输入端 （称低触发端），只要分别大于各自的参考电压 VCC和 VCC，则定时器输出（脚）被置“0”（低电平）；当TH、 输入电压分别小于 VCC和 VCC时，输出被置“1”（高电平）；若TH< VCC， > VCC，则输出保持原态。控制电压端（脚）也可外接控制电压，以此改变A1A2的参考电压，若不用它时，可将脚对地串接一小电容（0.01mF左右），以滤除高频干扰。直接复位端 如接低电平，定时器输出均被置0。放电管T在输出为0时允许饱

13、和导通。555定时器的上述功能可概括为表6.3.1所示表6.3.1  555定时器功能表输入输出THT（放大管状态）u0（Q输出）0XX导通01< VCC< VCC截止11> VCC> VC导通01< VCC> VCC不变不变常用的555定时器有双极型和CMOS型两类，其电路功能框图均如上述，电源电压为+5V+18V范围，驱动电流大，能提供与TTL电路相兼容的逻辑电平，可根据需要进行选择。 联系我们 发表意见 关闭窗口 (C) Copyright东南大学电子科学与工程学院, Ltd. All Rights Reserved.s<%

14、Page Language="VB" ContentType="text/html" ResponseEncoding="gb2312" %> 您的位置:首页>>第六章 第三节 6.3.3  施密特触发器电路触 发器是一种具有记忆作用的部件。它有两个基本性质：一是在一定的条件下，触发器的输出可以维持在两种稳定状态（高电平或低电平）之一而保持不变；二是在一 定的外加信号的作用下，触发器可以从一种稳定状态转变到另一种稳定状态。施密特触发器就是一种用电平方式触发，并对于正向和负向增长的输入信号，具有不同

15、 的阈值电平从而使传输特性具有迟滞特性的触发器。构成施密特触发器的电路形式很多，下面分别介绍用电压比较器及555定时器组成的施密特触发器电路。1.用电压比较器构成的施密特触发器电路用电压比较器构成的施密特触发器电路如图6.3.6(a)所示，由R和DZ组成输出限幅电路，R是限流电阻。R1、R2引入电压串联正反馈，对输出u0的跳变起加速作用，并使比较器具有迟滞特性，因此又称为迟滞比较器。电路的具体分析如下：图6.3.6  用比较器构成的施密特触发器设u0=+UZ=+5V，相应的u+记作UT+»50mV      

16、60;                         （6.3.2）当uI从小于UT+增加到UT+时，比较器进入线性放大区，u0开始负跳变，此时uI再略有增加，则u0将迅速从+UZ跳变到-UZ，此后，继续增大uI时，u0将保持-UZ不变，这个过程如图6.3.6(b)中uI正程变化曲线所示。而u0=-UZ=-5V时，相应的u+记作UT-  

17、0;                         （6.3.3）当uI逐渐减小，从大于UT-减小到UT-时，比较器进入线性放大区，此时u1再略有减小，就使u0从-UZ跳变到+UZ，此后即使uI继续减小，u0也将保持在+UZ不再变化，此过程如图6.3.6(b)中uI负程变化曲线所示。从上分析可知，比较器有两个翻转电压（也称阈值电平），并且有类似于迟滞回线的传输特性（由此也称之

18、为迟滞比较器），这将有利于抑制信号中的噪声和干扰，避免触发器的输出产生误翻转。通常，我们把UT+和UT-之差称为回差电压；记作DUT。由式（6.3.2）和式（6.3.3）可导出                                   &#

19、160;              （6.3.4）在图6.3.6(a)所示参数下，DUT=100mV，改变电阻的阻值，可方便地调整回差电压的大小。电路设计时，使回差电压的数值比预计噪声、干扰的最大幅度略大一点即可。图6.3.7所示是同相输入的触发器，读者可自行分析其传输特性。图6.3.7  同相输入的施密特触发器电路2.用555定时器构成的施密特触发器电路图6.3.8  (a)用555定时器构成的施密特触发器电路   (b)波形图将55

20、5定时器高触发端TH和低触发端 连接起来，即可构成施密特触发器，电路如图6.3.8(a)所示。当输入、脚的信号ui为如图6.3.8(b)所示的波形，只要uiVCC，基本RS触发器输出为低电平，由此u0输出高电平，当ui继续变化到 ，u0亦保持高电平不变，只有当ui= 时，RS触发器翻转，输出由低变高，u0随之变为低电平，此后uI继续增大，u0保持低电平不变；当ui幅度下降到 以及 范围，u0均维持低电平不变，直到ui= 时，触发器翻转，输出u0由低返回到高电平，ui继续下降，即ui< ，u0仍保持高电不变。其输入、输出波形如图6.3.8(b)所示。和电压比较器构成的施密特触发器电路相对应

21、的两个翻转电压UT+、UT-分别为 和 ，由此回差电压其迟滞特性同于图6.3.6(b)所示。如果在电压控制端（脚）接上外加电压uV，则可通过改变uV的大小来调节UT+、UT-和DUT。实际使用时，在脚接上拉电阻R和电源VEE（如6.3.8(a)图中虚线所示）u0'输出随VEE的不同而改变，以配合不同负载的需要。由上讨论已看到，经施密特触发器电路后，将正弦波信号变换成矩形波波形，若输入是三角波，其变换情况类同，除波形变换外，经施密特触发器电路还可将不规则的输入信号波形整形为矩形波，如图6.3.9所示，也可用来鉴别和剔除不满足一定幅度的输入信号脉冲，如图6.3.10所示。由于施密特触发器的

22、最主要特点是抗干扰能力强，因此，当输入信号中有噪声干扰而影响其幅度大小时，可通过调整回差电压UT+和UT-，就可有效地提高电路的抗干扰能力，避免电路产生误动作。图6.3.9  施密特触发器电路波形整形作用图6.3.10  施密特触发器电路幅度鉴别输入、输出波形施密特触发器的应用十分广泛，以上仅讨论了一些常用的功能。一般来说，用比较器构成的施密特触发器电路比用定时器构成的其性能优良，输出响应速度快。实际使用时，可根据需要选择合适的电路结构。 联系我们 发表意见 关闭窗口 (C) Copyright东南大学电子科学与工程学院, Ltd. All Rights Rese

23、rved.s<% Page Language="VB" ContentType="text/html" ResponseEncoding="gb2312" %> 您的位置:首页>>第六章 第二节 6.2.4  石英晶体振荡电路正弦波振荡电路的质量高低常用频率稳定度来衡量。频率稳定度一般用频率的相对变化量D¦¦0来表示。¦0表示振荡频率，D¦表示频率偏移量。在LC振荡电路中，即使采用各种稳频措施，其频率稳定度也难突破10-5的数量级，而影响频率稳定度的主

24、要因素是LC并联谐振回路的品质因数Q，一般LC回路的Q值最高只能达到几百，而石英晶体元件的Q值一般为数万，高的可达数十万，因此在要求高频率稳定度的场合，可采用高Q值的石英晶体元件来代替LC回路，使振荡器频率稳定度达10-8左右的数量级，为此其应用十分广泛。1.石英晶体的压电效应和等效电路石英晶体又称水晶，是一种二氧化硅（SiO2）结晶体，其硬度大、弹性高、各向异性。将石英晶体按一定方向切割成片并经过研磨制成几何尺寸一定的石英晶片，再经真空镀膜形成两个极板，然后在极板上点上银膏并引出一对电极，烘干后封装在金属或玻璃外壳内，便制成石英晶体元件。其结构及电路符号如图6.2.12所示。石 英晶体元件的

25、重要特点之一是具有压电效应。当在晶片的两个电极间加上一个电压，晶片便会产生机械变形。相反，在晶片上施加机械压力（或拉力），则晶片会在 相应的方向上产生电压。这种现象称为“压电效应”。当在晶片的两个电极间加上交变电压时，晶片便因反复的机械变形而产生机械振动，机械振动的固有频率由晶 片的几何尺寸决定。这种机械振动反过来又会产生交变电压，当外加交变电压的频率与晶体的固有振动频率一致时，机械振动与交变电压的振幅会突然增加，比一般 情况下的振幅大得多，这种现象称作压电谐振，石英晶体振荡器正是利用这种压电谐振特性来产生振荡信号的。石英晶片机械振动的惯性可用电感L来等效，石英晶片的弹性可用电容C来等效，晶片

26、振动时，因摩擦而造成的损耗则用电阻R来等效。此外，晶片不振动时，可以看成是一个平板电容器C0，由此得到石英晶体元件的等效电路如图6.2.13所示。图6.2.13  石英晶体元件的等效电路石英晶体元件的参数值取决于晶片的几何尺寸，所以十分稳定，其参数的特点是：L很大，C很小，Q值极高。例如谐振频率¦0=100KHz的石英晶体元件，其典型的参数值为L=300mH，C=8×10-3PF，R=270W，C0=2.4PF，Q=70×104。根据石英晶体元件的等效电路可知，这个电路有两个谐振频率，一是RLC串联支路发生串联谐振时的频率  

27、0;                                                             （6.2.19）另一个是整个电路发生并联谐振时的频率，可求得：        &